北大科研人員首次用酵母菌實時在線「觀測」PM2.5毒性

交通要道、供暖鍋爐與農田附近大氣中的細顆粒物PM2.5濃度相同，但三地PM2.5的毒性也許並不一樣，對人體的健康影響也可能大相徑庭。北京大學課題組研究人員近期取得了跨學科進展，集成了空氣採樣、酵母菌以及酵母菌蛋白熒光等自動檢測平台，首次以熒游標記的酵母菌實現了對PM2.5毒性指標的多方面實時在線監測。

研究人員認為，這種方法針對PM2.5等顆粒物對人體健康效應機制的研究提供了開創性的研究思路和方法，可以從分子水平多角度理解PM2.5對人體的可能損傷情況，有助於發現目前研究方法檢測不到或被忽略的健康效應及響應通路，從而可以避免「盲人摸象」的弊端。

酵母菌與人類基因有「同源性」

人類細胞與酵母菌細胞一樣有自噬現象，基本機理等也類似。並且具有相似的反應，通過PM2.5對酵母菌基因的損害可推斷出對人的基因的相關損傷。

當前，對大氣顆粒物毒性研究，大多採用細胞、老鼠等動物實驗，或人體觀測。但動物暴露實驗必須在高濃度劑量中進行，偏離實際環境暴露劑量；而且靈敏度較低，響應時間較長，需要幾小時甚至幾天；具有滯後性，觀測到損傷時，危害往往已經顯現。

為何想到要用酵母菌來對PM2.5毒性來監測？北京大學環境科學與工程學院研究員要茂盛解釋說，酵母菌基因與人的基因有「同源性」，並有相似的反應，PM2.5對酵母菌基因的損害可推斷出對人的基因的相關損傷。

例如，酵母菌的自噬作用。要茂盛說，日本教授大隅良典發現，人類細胞與酵母菌細胞一樣有自噬現象，基本機理等也類似。正因為在細胞自噬研究方面的成就，大隅良典獲得了2016年諾貝爾生理學或醫學獎。自噬作用是指細胞面對生存壓力時，可通過降解自身非必需成分來提供營養和能量，從而維持生命；自噬作用也可能降解潛在的毒性蛋白來阻止細胞損傷等。

要茂盛說，這種酵母菌俗稱釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae），共有6000多個基因。其基因序列在1996年已全部測序完成，也是第一個完成基因測序的真核生物。它被廣泛應用在人類疾病研究中，許多生命現象及蛋白功能都來自該酵母菌的研究。

「一個酵母菌5—10微米大小，半徑較大，在顯微鏡下用肉眼就能很容易看到，有利於監測單細胞熒光，從而得以對PM2.5毒性的實時在線顯示。」要茂盛說，課題組前期對酵母菌的上百種基因蛋白進行了高通量篩查，發現了氧化損傷蛋白（HSP60）、DNA修復蛋白（SSA1）等對空氣中的PM2.5響應比較靈敏，「例如，我們在單個活體酵母菌上發現DNA修複發生在氧化損傷後的大約20分鐘，反應相當靈敏」。

綠色熒光蛋白實時顯現PM2.5損害

當PM2.5對酵母菌發生了某些損傷，相對應的GFP蛋白就會表達並發光，然後被酵母菌蛋白熒光自動檢測平台「捕捉」到，這樣就好像「實時監測到不同地區每輛車的行駛擁擠狀況」。

想實現對PM2.5毒性等實時在線監測，就必須讓大氣中的PM2.5與酵母菌接觸產生相關刺激，所標記的基因得到及時表達，從而顯示相關毒性。要茂盛說，這就依賴綠色熒光蛋白（GFP）。

綠色熒光蛋白（GFP）最早於1962年在維多利亞多管發光水母中發現，其基因所產生的蛋白質，在藍色波長範圍的光線激發下，會發出綠色螢光。日本科學家下村修、美國科學家馬丁·查爾菲和錢永健等就是因為發現、改造了綠色熒光蛋白獲得了2008年的諾貝爾化學獎。

要茂盛說，課題組利用GFP標記的酵母菌，與擬研究的酵母菌蛋白一一「綁」在一起。就像是個「卧底」，當PM2.5對酵母菌發生了某些損傷，相對應的GFP蛋白就會表達並發光，然後被酵母菌蛋白熒光自動檢測平台「捕捉」到，這樣就好像「實時監測到不同地區每輛車的行駛擁擠狀況」，從而可以更好地了解PM2.5的損傷機理。檢測數據還可遠距離信息傳輸，「即使我在國外開會，也能及時收到放在北京的設備發出的檢測信息」。

要茂盛說，自動檢測平台使用的是生物晶元，即把多個不同GFP標記的活體酵母菌放在一個晶元的不同地方，酵母菌在晶元里的培養液中只能小範圍移動。「當人體吸入PM2.5，人體組織細胞與其接觸發生交互反應，如同該系統酵母菌與顆粒物的接觸。酵母菌蛋白又與人體蛋白相似，所以PM2.5對酵母菌的損害可推斷出對人體的相關損害。不過，對酵母菌損害的響應時間快慢取決於PM2.5的濃度。」

揭示PM2.5對人具體致病毒性機制

未來還將人工合成一些比較靈敏的基因，綁定新基因後，酵母菌對PM2.5毒性的響應就會更靈敏、更迅速、更有針對性，可以實現精準檢測。

要茂盛認為，PM2.5毒性的實時在線監測系統的成果，與北京大學物理學院副教授羅春雄領導的研究團隊努力是分不開的，而且是「站在巨人的肩膀」上，建立在兩個諾貝爾獎的科學成果基礎之上研發的，具有非常強的學科交叉性。

目前，此項研究成果已申請國家發明專利。課題組正在利用該系統對不同國家、不同地區大氣中的PM2.5毒性進行檢測和研究，同時也在篩查更多的有響應的酵母菌蛋白並研究其靈敏度、響應毒性精準度的標定，從而進一步全方位揭示PM2.5對人體的具體致病機制。

「未來，我們還將人工合成一些比較靈敏的基因，綁定新基因後，酵母菌對PM2.5毒性的響應就會更靈敏、更迅速、更有針對性，可以實現精準檢測。」要茂盛說。

要茂盛表示，對PM2.5毒性的實時在線監測系統是建立在他的「實時在線甄別空氣中的致病微生物系統-GREATpa」成果的基礎上的。

空氣中的微生物無色無味、具有潛伏性、瞬間性。如果不能對空氣微生物進行實時監測，那麼就無法及時發現空氣中潛在的微生物危害，從而可能造成非常嚴重的後果，如疫情爆發、生物恐怖襲擊等。

「實時在線甄別空氣中的致病微生物系統」在應對突發的公共衛生事件以及臨床呼吸系統感染診斷以及生物預警、國防軍事防恐等領域具有重要的應用價值。要茂盛希望，在不久未來基於活體酵母菌感測器的PM2.5毒性的實時在線監測系統能夠在我國應對霧霾危害、保護公眾健康方面發揮積極的作用。

（原題為《小小酵母菌在線「觀測」PM2.5毒性》）

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